计算机仿真在科研与实验教学中的应用.docx

1、计算机仿真在科研与实验教学中的应用计算机仿真在科研与实验教学中的应用1 引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛的应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中1。计 算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且还可以与实物试制和 调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。2 计算机仿真技术及其应用电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换、传递过程的控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。电力与电子结合形成了

2、电力电子学科，它 是一个较为年轻的学科，也是多学科的边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用自 动控制术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题。这样的系统品质在80年代中、后期有了飞速的提高。究其原因是借助于计算机仿真技术。在使用计算机来进行仿真时，选择合适电路设计软件会使该问题得到一定的解决，前些时候的软件多解决线性、连续工作的稳态电路。本文介绍的软件，既可 解决线性电路，也适合非线性电路；既可解决模拟电路，也适合数字电路；既可解决连续状态工作问题，也适合不连续状态工作的问题；既可解决连续稳定工作电 路，也适合开

3、关调节的启动工作电路。总之，电气工程电路均可仿真。仿真时，要读取电路中任何一点电流、任何两点间的电压都很容易，还可以进行频率响应、频 谱分析、温度分析、参数变化分析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析、噪声分析等等。可以说，后面几种分析在面包板实验中是无法模拟进行的，加之，仿真软件是在 计算机上运行，所以有使用方便、简单的优点2电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、管理等方面的问题，才能解决好能源转换问题3。由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用计算机，处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。计算机仿真在教学

4、、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了仿真软件课程。主要是让学生了解仿真的基本概念和基本原理、掌握逻辑综合的理论和算 法、使用仿真软件进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具如PSPICE和MATLAB，为今后工作打下基础。科研方面主要利用电路仿真工具（MATLAB或PSPICE或SABER）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的仿真软件的应用、系统级模拟及测

5、试环境的仿真，生产流水线的仿真技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。从应用领域来看，仿真技术已经渗透到各行各业，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有仿真技术的应用。另外，仿真软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途，进而使得仿真软件更加完善。3 仿真软件PSPICE简介PSPICE是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图

6、 形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入 ORCAD公司的商业EDA系统中。现在使用较多的是PSPICE9.1，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组 成，使用时是一个整体，但各个部分都各有各的窗口。与传统的SPICE软件相比，PSPICE在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交 流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而

7、且能够 对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果4。PSPICE的应用范围很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。PSPICE的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求 解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对 电路设计有着重要指导意义3。另外EWB（电子工作室）软件也是学习电力电子知识时较受欢迎的软件。因为它提供了模拟和数字电子电路的虚拟实验环境，有和真实实验时致的可视化 界面，含有许多

8、电子元器件模型，也允许自行扩充器件库甚至输出量与流行的PCB设计软件(如Protel、ORCAD等)连起来，可以布线制版。因此这 种软件在高等学校实验教学中应用较普遍。4 仿真实例下面我们以升降压式DC-DC变换器（亦称CUK变换器）为例来说明PSPICE在科研设计中的应用。4.1 PSPICE建模与CUK变换器原理分析所谓的升-降压式DC-DC变换器亦叫做CUK变换器4，使用PSPICE绘制的CUK变换器电路结构如图1所示。其 中，V1为输入直流电压， L1、L2为输入及输出的储能电感，M1为开关场效应管，C1为传递能量的耦合电容，D1为续流二极管，C2为滤波电容，RL 为负载电阻，CUK变

9、换器的主要特性是他的输入及输出电流都是非脉动的，他们是在一个直流成分上叠加了一个相当于小的开关纹波，CUK变换器的能量储存和 传递是在两个开关期间和两个环路中同时进行的。当开关管M1导通时，续流二极管D5截止，此时的等效电路如图2（a）所示，输入电流（即流过电感L1的电流）使L1储能，C1的放电电流使L2储能，同时供电给负载RL，M1中流过的电流是输入、输出电流之和。当开关管M1截止时，D5导通，此时的等效电路如图2（b）所示，此时整流电压和L1的 释能电流图1 使用PSPICE绘制的CUK变换器电路图（a）M1导通、D1截止时的等效电路 （b）M1截止、D1导通时的等效电路图2 CUK变换器

10、的等效电路给C1充电，L2的释能电流通过D5 给负载供电，流过D5的电流为输入、输出电流之和，可见，电路无论在M1导通或截止期间，都从输入向输出传递功率，只需输入、输出电感L1、L2及耦合电 容C1足够大，则L1及L2中的电流基本恒定。C1是能量的传递者，由他来完成能量的接受与传递，该电路输入与输出电压的关系为：V（OUT）=D/（1-D） VA可见CUK变换器可以升高或降低电压，而且输出电压为负值。4.2 仿真研究在设计出电路参数并用PSPICE软件建立起电路的仿真模型以后就可以进行各种仿真分析了，最常用的分析包括直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、温度分析、最坏情况分析、参数扫描分析等。我

11、们首先对图1所示的电路进行瞬态响应分析，设信号源Vs的占空比 ，其余参数如图1中给出的电气参数，对其进行瞬态响应分析，仿真参数设为：仿真时间为2ms，步长为1000ns，仿真结果如图3所示。输出电压为V(out)为负值，测得其到达稳态后的值为2.85V（t1ms），理论值为 ，与仿真结果相近。从图中可以看出输入、输出电流（电感L1、L2上的电流）IL1、IL2均为锯齿波（非脉动电流），因而对电网产生的噪声干扰较小，这也是CUK变换器的优点之一。若Vs的脉冲信号的占空比改为 ，其他元件参数不变，仿真结果如图4所示。此时输出电压V（out）上升到27.1V，理论值为 ，两者比较接近，输入、输出电流

12、I(L1)、I(L2)仍为锯齿波，其绝对值总是大于零。 （a）电感电流仿真波形 （b）输出电压仿真波形图3 CUK变换器的瞬态响应分析结果（a）电感电流仿真波形 （b）输出电压仿真波形图4 改变占空比后的CUK变换器的瞬态响应分析结果若将L1、L2减小为1mH，负载RL增大为500 ，脉冲源占空比仍为0.25，此时的仿真结果如图5所示，输出电压V（out）为8.19，与理论值3.38相差甚远。电感电流I(L1)、I(L2)均 为不连续。这说明当L1、L2减小、负载RL增大时，Cuk变换器进入不连续工作状态。（a）电感电流仿真波形 （b）输出电压仿真波形图5 改变参数后的CUK变换器的瞬态响应分

13、析结果如果我们仍让Cuk变换器工作于连续状态（L1、L2的值恢复为2mH），Vs信号源占空比为 ，只是令电容C1=0.1uF，RL=300 ，再作瞬态分析，得到如图6所示的仿真结果，此时输出电压V（out）升高了，最大值为30.4V，平均值为29.8。可见，当RLC1时间常数增大 时，输出电压更接近于理论计算值30V。这是因为RL增大，输出功率减小，变换器在传递功率的过程中损耗也减小了（主要是开关管M1和续流二极管D1）的 损耗。图6 RL和C1增大时的V（out）的仿真波形由以上仿真分析可以看出，利用PSPICE仿真软件可以非常方便的分析电路，而且还可以非常方便的利用其功能进行一系列的其他分

14、析。计算机仿真在电 力电子技术的应用研究和产品开发中具有重要的地位，它可以加深设计者对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，它能帮助生产企业提高自身 开发的水平，改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期5。5 开发仿真实验的必要性实验是电力、电子技术课程教学中不可缺少的重要环节6，多年来传统的实验方法在为帮助学生学习理论知识、培养学生实验技 能方面发挥了重要作用。近年来，随着计算机技术的飞速发展，仿真作为一种新兴的实验技术迅速崛起，电路实验技术正面临着一场深刻的实验手段的变革，目前， 己有越来越多的高校开展了电路仿真实验的开发和设计，不断创新实验教学工作己成为该课程建设的一

15、大紧迫任务，也是现代实验教学技术发展的必然趋势。 在传统电路实验项目设计中，由于受实验时间、测量仪器、电路元件等条件的限制，基本以验证性基础实验为主，学生只会在有限的时间内对己设计好的实验内容进 行测量，而对电路的设计思想、元件参数的选择、实验结果的分析等不求甚解，除了熟悉仪器的使用外，其它实验目的不能得到充分体现，并容易产生厌倦、轻视的 心理，而仿真实验所具有的高效率、高精度、无损耗和灵活、真实的模拟效果等特点可以为学生提供一个大胆尝试、积极创新的实验环境，学生可以根据所学知识进 行设计性实验和综合性实验，满足不同层次学生的需要，鼓励学生的探索意识和创新思维，同时将仿真实验作为一种现代先进的

16、实验技术引入课堂，增强其新颖性和 时代感，提高学生对电路实验的兴趣，开阔学生的视野，而且也会为将来学生的就业添加一块重量级的砝码。随着高校电气、电子技术专业的发展，电子课程设计、大学生电子竞赛等综合性实践活动对学生的设计能力提出了更高的要求，如果仍按传统的实验方法，将 设计完成的电路图连接成实物后使用各种仪器进行测量，首先制作电路板的过程是一个既耗时、费力又损失材料的工作，况且制作完成后的验证结果如果有错，又先 得花相当的时间弄清是设计有误还是制作有误，随着现代电子技术的高速发展，设计的电路越来越复杂，规模也越来越大，传统的验证方法己经完全不行了，在这种 情况下，离开EDA技术几乎无法完成现代

17、电子线路设计任务，仿真实验可以克服传统实验的这些缺点，使用仿真软件根据需求测试设计的电路是否合乎要求，然后 予以必要的调整，直到仿真结果顺利通过检测后才进入实物制作阶段。这种方式可以事先排除大部分设计阶段所造成的损失，使设计者可以更直接地将精力集中在设 计层面上，大大缩短了整体设计周期，让学生尽早掌握这一先进技术，适应现代社会对电子设计的要求，才能在高速发展和竞争日益激烈的电子工业中面临各种挑战 并得以生存和发展。6 结论由以上分析我们可以看到，PSPICE仿真软件确实是一个优秀的模拟实验平台，利用它可以方便、快捷地完成许多电路的实验和测试，在高校的科研和实 验教学改革中，我们可以采用实际实验与仿真实验相结合、相对比的方式，使二者的长处都得到充分应用，对科研人员而言，计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁 琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度的降低设计 成本，缩短系统研制周期。对于学生而言，计算机仿真既可培养学生的实验技能，又提高了计算机的应用能力，更重要的是让学生从中学会使用一个十分优秀的 EDA软件来进行电子电路的设计。